雙控制器礦井低壓電網(wǎng)饋電保護(hù)裝置

摘 要：針對我國礦井工程供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種將交流采集、故障檢測與控制相分離的新型饋電開關(guān)智能控制器，解決了現(xiàn)有饋電裝置響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)；采用附加直流和零序電壓與零序電流相位相結(jié)合的方法，較好的解決了現(xiàn)有饋電開關(guān)選擇性漏電檢測可靠性、穩(wěn)定性差的問題。添加RS485和CAN工業(yè)通信總線，方便各個(gè)系統(tǒng)之間通訊與連接。我國煤礦井下低壓電網(wǎng)多為三相中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)對選擇性漏電保護(hù)要求較高，因此可靠穩(wěn)定的饋電智能開關(guān)是礦井安全所必須的。文章設(shè)計(jì)一種采用附加直流和零序電壓與零序電流相位相結(jié)合的選擇性漏電檢測判別方法，該方法在硬件和軟件方面均采取了多重選擇性漏電判別規(guī)則，大大提升了饋電開關(guān)檢測穩(wěn)定性。該饋電開關(guān)兼有RS485和CAN工業(yè)通信總線，方便各種系統(tǒng)之間相互兼容和數(shù)據(jù)共享。

關(guān)鍵詞：饋電開關(guān)；AVR；漏電檢測

1 引言

我國是一個(gè)產(chǎn)煤大國，由于礦井內(nèi)部設(shè)備龐雜，其運(yùn)轉(zhuǎn)需要消耗大量電能，其供電設(shè)施的穩(wěn)定與否，對整個(gè)礦井安全工作、高效生產(chǎn)有著直接影響。饋電開關(guān)控制器主要用于礦井供電設(shè)備的故障檢測與電源控制。在具有短路保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、等傳統(tǒng)故障檢測功能的同時(shí)，還具有可調(diào)式漏電保護(hù)功能。

目前礦井所使用的饋電開關(guān)大多采用單芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)中央處理芯片不僅需要采集電網(wǎng)中各項(xiàng)參數(shù)，還需對測量參數(shù)進(jìn)行處理與檢測。延長設(shè)備響應(yīng)時(shí)間，增加了礦井的運(yùn)行的危險(xiǎn)系數(shù)。為解決該類問題，本系統(tǒng)采用雙芯片結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)分為交流信號采集模塊與信號處理模塊。交流信號采集模塊采用電網(wǎng)計(jì)量芯片作為主控核心，主要負(fù)責(zé)電網(wǎng)中輸入信號參數(shù)測量，故障檢測與處理模塊選用單片機(jī)作為其主控核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與故障檢測等功能有效地提高故障響應(yīng)速度。

2 礦井低壓電網(wǎng)漏電特征及選擇性漏電保護(hù)原理

我國礦井井下低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)基本采用中性點(diǎn)不接地方式，其漏電電流分布特點(diǎn)如圖1所示。該圖所示煤礦電網(wǎng)模型主要由低壓輻射式電網(wǎng)為主，該電網(wǎng)模型采用三線供電結(jié)構(gòu)，L1、L2、L3分別代表電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中三條支路，在各個(gè)支路的測量節(jié)點(diǎn)上分別安裝ZT1、ZT2、ZT3三個(gè)零序電流互感器。假設(shè)各個(gè)支路所產(chǎn)生的等效電容C1、C2、C3數(shù)值相同。當(dāng)其中一條支路與地線發(fā)生短路故障時(shí)（Rd=0 ），該支路上所攜帶電位將為零。

圖1 中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)系統(tǒng)單相漏電電容電流分布特點(diǎn)

而中性點(diǎn)的電位■n=-■C ，B相、C相對地電壓變?yōu)榫€電壓，即：

式（1）

式（2）

各個(gè)支路的B、A相對地電容電流為：

式（3）

式（4）

所以各支路對地的容性電流和為：

式（5）

相位超前零序電壓90°。

由圖1可知，非漏電支路L1，L2的零序電流為該支路對地的電容電流■1、■2，而漏電支路L3的零序電流為：

最終得出漏電支路的零序電流滯后零序電壓90°。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該礦井供電網(wǎng)絡(luò)漏電檢測裝置以ARM芯片LPC2138作為其控制核心，負(fù)責(zé)信號處理與控制輸出功能，該芯片具有32K靜態(tài)存儲空間，滿足各種算法編寫等功能實(shí)現(xiàn)要求。信號采集方面，選取DSP電網(wǎng)測量專用芯片ATT7022作為6路交流信號采集芯片，該芯片可以在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用其內(nèi)嵌電網(wǎng)參數(shù)測量算法，計(jì)算出電網(wǎng)運(yùn)行中各項(xiàng)參數(shù)。該芯片與LPC2138采用SPI串口總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集與處理功能。通過兩個(gè)芯片相互通訊，最終實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集與控制輸出功能。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4 采集電路設(shè)計(jì)

在電源電路設(shè)計(jì)中，采用電流互感器與電壓互感器對電網(wǎng)信號進(jìn)行采集，該方案可以有效避免電網(wǎng)中電壓突變對系統(tǒng)造成的影響，有效將本系統(tǒng)與電網(wǎng)輸出網(wǎng)絡(luò)隔離，保證了系統(tǒng)的安全可靠。轉(zhuǎn)換后的電流利用ATT7022電網(wǎng)計(jì)量芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，該芯片可同時(shí)采集三相電網(wǎng)中各項(xiàng)電流與電壓參數(shù)，避免了順序采集所產(chǎn)生的相位偏移。采集信號的同時(shí)，對電網(wǎng)中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過串口傳輸網(wǎng)絡(luò)輸出電網(wǎng)中電壓、電流有效值、有功功率、無功功率等電網(wǎng)測量參數(shù)。

5 雙T濾波器設(shè)計(jì)

雙T濾波器是兩個(gè)T型濾波器的并聯(lián)，其中一個(gè)為高通濾波器，另一個(gè)為低通濾波器，組成一個(gè)帶阻濾波器。如結(jié)構(gòu)圖3所示：

其中：R1=R2=2R3，C1=C2=C3=C4，由并聯(lián)雙端口網(wǎng)絡(luò)特性可以得到雙濾波器的傳遞函數(shù)為：

式7

式8

式9

其中：

采用NI公司的仿真軟件Multisim對雙T濾波器性能進(jìn)行仿真。其中R1=R2=32K，R3=（1/2）R1=16K，C1=C2=C3=C4=0.1uF，？棕=2？仔f=2？仔*50=314由式2得：

式10

從圖5可得出，當(dāng)其輸入信號頻率在49.355時(shí)，信號衰減-43.592dB。與理論計(jì)算結(jié)果是一致的。

6 選擇性漏電模塊設(shè)計(jì)

饋電保護(hù)開關(guān)其功能模塊主要以漏電保護(hù)作為其功能核心，該模塊設(shè)計(jì)決定了系統(tǒng)穩(wěn)定性等性能參數(shù)。該漏電檢測主要根據(jù)零序電壓與零序電流之間的相位關(guān)系進(jìn)行判別。由前文可知，漏電支路的零序電壓相比于該支路零序電流超前90°，由此可見，零序電壓與零序電流之間相位角決定了該支路是否漏電。圖6為選擇性漏電模塊原理圖。

零序電壓與零序電流的前端處理由二階低通濾波器與施密特觸發(fā)器兩部分組成，濾波器將信號中雜波濾除，利用施密特觸發(fā)器將交流信號整流形成方波信號，輸入單片機(jī)利用單片機(jī)其內(nèi)部比較起進(jìn)行檢測。由于交流電信號為正負(fù)信號，為保證其信號符合測量要求，利用運(yùn)放加法器在信號輸入前端增加1.61V抬升電壓，將交流電壓由雙向轉(zhuǎn)換成單向電壓。X9C103為數(shù)字電位器，用來改變施密特觸發(fā)器的觸發(fā)電壓，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。

7 施密特觸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算

施密特觸發(fā)器一種信號轉(zhuǎn)換器，可將緩慢變化的信號轉(zhuǎn)換成類似方波的陡峭信號，該觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字系統(tǒng)信號處理模塊中。該觸發(fā)器由于其觸發(fā)器本身特性導(dǎo)致其具有一定滯環(huán)特性。由于該特性的存在，避免了由于輸入信號本身微弱變化而產(chǎn)生的輸出跳動(dòng)。

施密特觸發(fā)器是由運(yùn)放的正反饋構(gòu)成的，如圖7所示：由疊加定理可得：

式（11）

由于運(yùn)算放大器采用正反饋，它的輸出只有兩種情況：Vom（正向飽和電壓）和-Vom（負(fù)向飽和電壓）。由此可以得出：

式（12） 式（13）

施密特觸發(fā)器的滯環(huán)特性如圖8所示：

采用NI公司的仿真軟件Multisim對施密特觸發(fā)器性能進(jìn)行仿真。其中運(yùn)放的供電電壓為+5V和0V，兩個(gè)電阻R1=5K，Rf=15K，Vref=3V， ，Vom=3V，-Vom=0V由式3.13和3.14計(jì)算得：

與圖8中的仿真波形相對比，理論計(jì)算和仿真結(jié)果是一致的，這樣就從理論和仿真說明了施密特觸發(fā)器的可行性，并且該方案的正確性也得到了驗(yàn)證。另外，施密特觸發(fā)器的上限觸發(fā)電壓（VOH）和下限觸發(fā)電壓（VOL）可以通過改變電壓Vref而得到改變。

8 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)際測量與仿真實(shí)驗(yàn)可以得出，本系統(tǒng)檢測精度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并利用雙處理器連接技術(shù)使平均故障動(dòng)作速度比以前提高30%。本文設(shè)計(jì)的饋電開關(guān)樣機(jī)已在煤礦井下試用，目前該樣機(jī)運(yùn)行正常，實(shí)際應(yīng)用的效果與仿真結(jié)論基本一致，證明本文設(shè)計(jì)方法是可行的，具有繼續(xù)推廣的價(jià)值。

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作者簡介：李輝（1973，11-），助理工程師，安徽淮北人，現(xiàn)從事礦山大型電氣設(shè)備技術(shù)工作。